煤礦礦井水預(yù)處理系統(tǒng)能耗分析與節(jié)能途徑研究

王國棟，鄭利祥，田希雙，楊建超，屈慶利，李明德，孫玉嬌，湯吉亮，張 帥

(1.兗煤藍天清潔能源有限公司，山東 濟寧 272000；2.中煤科工集團杭州研究院有限公司，浙江 杭州 311201)

0 前 言

煤礦礦井水處理站是煤礦企業(yè)中重要能耗部門之一。礦井水處理站預(yù)處理系統(tǒng)運行過程中的預(yù)沉調(diào)節(jié)、混凝沉淀(澄清)、煤泥脫水等工藝段所耗能源約占全部能耗的90%以上，其中主要為設(shè)備能耗[1-3]。設(shè)備能耗過高是造成礦井水處理站運營成本偏高的重要原因之一。從國家層面而言，降低能耗強度已被確定為國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的約束性指標，受到了全社會的廣泛認同和關(guān)注[4-5]。同時，“十四五規(guī)劃”報告中指出企業(yè)要節(jié)能優(yōu)先，強化節(jié)能管理，加快能耗限額。這就要求企業(yè)主要能耗指標達到更高標準。具體到礦井水處理行業(yè)而言，運行中用到的水泵、攪拌機、空壓機和脫水機等主要耗能設(shè)備能耗指標也需要進一步降低。因此，礦井水預(yù)處理系統(tǒng)如何以較少的能源消耗取得較大的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益，不僅能降低礦井水運行成本，更是實現(xiàn)煤礦企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然要求。

文獻檢索和調(diào)研發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)性能耗分析多應(yīng)用于城鎮(zhèn)市政污水處理廠的運行研究中，旨在實現(xiàn)工藝和設(shè)備的節(jié)能降耗，從而達到節(jié)省運行成本的目的[6-10]，而將分析方法應(yīng)用在煤礦礦井水預(yù)處理系統(tǒng)運行優(yōu)化中的研究較少。本文針對山東礦區(qū)某3座礦井水處理站的預(yù)處理系統(tǒng)實際運行狀況進行了調(diào)查，采用比能分析法和單元能耗分析法研究了礦井水預(yù)處理的能耗構(gòu)成、分布比例和能耗特點等，提出了預(yù)處理系統(tǒng)各工藝單元節(jié)能降耗技術(shù)措施和有效途徑，對礦井水處理行業(yè)的節(jié)能降耗具有借鑒意義。

1 基本情況

山東礦區(qū)某3座礦井水處理站的基本情況如表1所列。

表1 3座礦井水處理站基本情況表Table 1 Basic information of three mine water treatment stations

由表1可知，3座礦井水處理站均正常穩(wěn)定運行，出水懸浮物含量達到《煤炭工業(yè)污染物排放標準》(GB 20426—2006)和《煤礦井下消防、灑水設(shè)計規(guī)范》(GB 50383—2016)中排放回用要求，或滿足后續(xù)深度處理進水懸浮物含量要求。

2 分析方法

礦井水處理站運行能耗形式多樣，大致可分為直接能耗和間接能耗兩部分[11]。其中，礦井水和煤泥水提升的電耗、煤泥轉(zhuǎn)輸和濃縮脫水的電耗、攪拌反應(yīng)機械的電耗、采暖通風(fēng)機械的電耗、廠區(qū)照明監(jiān)控的電耗等均屬于直接電耗。絮凝劑、吸附劑和消毒劑等藥劑耗材的生產(chǎn)所需能源屬于間接能耗。直接能耗客觀地反映了處理站在實際運行過程中的能量消耗，也是能耗分析的重要研究對象。礦井水處理運行能耗分析涉及提升系統(tǒng)、攪拌反應(yīng)系統(tǒng)、煤泥濃縮脫水系統(tǒng)等方面。

目前，我國污水處理廠應(yīng)用比較廣泛的能耗分析方法包括比能分析法、單元能耗分析法、層次分析法、生命周期評價法和模糊綜合評價法等。

2.1 比能耗分析法

比能分析法是指將處理單位體積的礦井水所消耗的能量折算為電能表示，或以去除單位數(shù)量的懸浮物所消耗的能量來表示[12]，計算公式詳見式(1)。

(1)

式(1)中消耗總能量包括電能耗、熱能耗和化學(xué)能耗，分析研究中以設(shè)備電能耗為主。比能耗具有計算簡單、直觀性強的優(yōu)點，可對相同工藝、類似水質(zhì)進行概括性比較，但不能揭示能耗發(fā)生的內(nèi)在原因和能量利用效率。本文分析研究主要以該方法為主。

2.2 單元能耗分析法

單元能耗分析法是將礦井水處理站按照工藝流程和能耗特征分別對預(yù)沉調(diào)節(jié)、澄清過濾和煤泥處理3個單元進行能耗分析的方法。該方法能更好地分析同一工藝中各單元的能耗特點和不同工藝間的能耗對比、識別節(jié)能潛力、篩選節(jié)能途徑。根據(jù)能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計，制定反映單元能耗水平的評估指標，可為礦井水處理站能源管理和節(jié)能工藝提供針對性依據(jù)。本文分析研究還采用了該方法。

2.3 層次分析法

層次分析法是將與決策有關(guān)的元素分解成目標、準則和方案等層次，在此基礎(chǔ)上進行定性和定量分析的決策方法[6]。將目標分解為多目標的若干層次，通過矩陣特征向量求解和優(yōu)先權(quán)重分析比較，確定優(yōu)化方案。該方法多運用于污水處理廠的工藝擇優(yōu)和運行能耗調(diào)查計算，還未見運用于礦井水處理工藝和能耗分析的相關(guān)研究報道。

2.4 生命周期評價法

生命周期評價法是指從全過程的角度來識別和量化分析礦井水處理工藝在其生命周期各階段的能耗，找出能耗原因和影響因素，并在此基礎(chǔ)上提出節(jié)能措施。礦井水處理站的生命周期分為施工建設(shè)、生產(chǎn)運行和廢棄拆除階段。該方法研究實踐起步晚、實施周期長和數(shù)據(jù)統(tǒng)計期限大等局限，目前運用相對較少。

2.5 模糊綜合評價法

模糊綜合評價法是一種基于模糊數(shù)學(xué)的綜合評價方法，對邊界不清楚、不容易定量因素進行定量化的綜合評價方法。這種方法的特點是結(jié)果清晰、系統(tǒng)性強，具有較強的可操作性和較好的可行性，適合各種非確定性問題的解決[13]。該方法可以全面定量地了解污水處理廠能耗水平，為污水處理行業(yè)科學(xué)合理地制定節(jié)能措施以及規(guī)范污水處理廠高速運行提供依據(jù)。

3 結(jié)果與討論

礦井水預(yù)處理系統(tǒng)的能耗分析主要采用了比能耗分析法，從能耗結(jié)構(gòu)和比能耗兩個方面進行研究。由于預(yù)處理系統(tǒng)中電耗在總能耗中所占比例極大，而熱耗較少，因此，在能耗分析中以電耗作為分析對象進行研究。

3.1 預(yù)處理系統(tǒng)能耗分析

3.1.1 能耗結(jié)構(gòu)分析

礦井水預(yù)處理系統(tǒng)的能耗主要分布在礦井水提升、藥劑配制投加與反應(yīng)攪拌、煤泥輸送與處理等環(huán)節(jié)，能耗結(jié)構(gòu)分析也從這些重要工藝環(huán)節(jié)中入手。3座礦井水處理站預(yù)處理系統(tǒng)的能耗統(tǒng)計結(jié)果如表2所列。

由表2可知，A處理站礦井水提升與處理、藥劑配制投加與反應(yīng)攪拌、煤泥輸送與處理3個工藝環(huán)節(jié)的能耗占比分別為82.05%、6.50%和11.11%；同理，B處理站3個工藝環(huán)節(jié)的能耗占比分別為76.58%、4.18%、18.68%；C處理站3個工藝環(huán)節(jié)的能耗占比分別為77.38%、5.14%和16.71%。數(shù)據(jù)分析可知，礦井水提升與處理、藥劑配制投加與反應(yīng)攪拌、煤泥輸送與處理3個工藝環(huán)節(jié)能耗占比的加權(quán)平均值分別為79.98%、5.80%和13.73%。盡管各處理站的規(guī)模、水質(zhì)不同，但就各工藝環(huán)節(jié)能耗結(jié)構(gòu)和占比而言，具有明顯的相似性，各站的主要能耗均發(fā)生在礦井水提升、煤泥輸送與處理環(huán)節(jié)，而藥劑配制投加與反應(yīng)攪拌環(huán)節(jié)相對較小。

3.1.2 礦井水提升與處理環(huán)節(jié)

預(yù)處理系統(tǒng)中礦井水提升環(huán)節(jié)包括預(yù)沉調(diào)節(jié)單元至澄清單元的一次提升或澄清單元至過濾單元的二次提升，以及處理后清水的輸送等；礦井水處理環(huán)節(jié)包括預(yù)沉調(diào)節(jié)單元的刮泥、機械澄清單元的反應(yīng)攪拌及機械過濾的氣水反沖洗等。由表2數(shù)據(jù)計算得出，A、B、C三座處理站的礦井水提升與處理環(huán)節(jié)中提升設(shè)備能耗占比分別為95.82%、93.23%和93.96%，提升設(shè)備發(fā)生能耗與礦井水實際預(yù)處理量、工藝構(gòu)筑物或設(shè)備設(shè)計高程密切相關(guān)。A處理站實際處理量最大，C處理站次之，B處理站最小，這與提升能耗排序相一致。一般情況下，礦井水處理工藝流程設(shè)計以一次提升為主，后續(xù)工藝依靠重力流完成。中間工藝考慮到高程或壓力需求才配備二次提升或加壓。

A處理站采用穿孔旋流+機械過濾工藝，礦井水需要二次提升加壓。B和C處理站采用水力澄清+無閥濾池工藝，僅一次提升。因此，A處理站提升能耗占比高于B和C處理站。相比而言，A處理站機械過濾設(shè)備還存在氣水反沖洗要求，這也會在此環(huán)節(jié)中消耗較多能量。

3.1.3 藥劑配制投加與反應(yīng)環(huán)節(jié)

礦井水預(yù)處理中所需藥劑一般包括混凝劑(如鋁鹽、鐵鹽等)、助凝劑(聚丙烯酰胺等)、消毒劑(次氯酸鈉等)和應(yīng)急藥劑(如粉炭、石灰和酸堿劑等)等。應(yīng)用較多的藥劑還是以聚合氯化鋁(PAC)和聚丙烯酰胺(PAM)為主。藥劑投加前需要經(jīng)過攪拌溶解或稀釋，通過計量泵投加到穿孔旋流器或澄清池進行絮凝反應(yīng)。涉及到的設(shè)備(桁車、電動葫蘆、投料機、攪拌機、計量泵等)數(shù)量較多，設(shè)備功率較小，在總能耗中占比也小。該環(huán)節(jié)的能耗高低與工藝類型、處理規(guī)模、進出水懸浮物含量和加藥量等因素緊密相關(guān)。

3.1.4 煤泥輸送與處理環(huán)節(jié)

由表2可知，A、B和C三座處理站的煤泥輸送與處理環(huán)節(jié)能耗在實際總電耗中的占比分別為11.11%、18.68%和16.71%。其中，煤泥脫水主要采用板框壓濾機工藝，A處理站污泥泵(包括輸送泵和壓濾入料泵等)在工藝環(huán)節(jié)中的能耗占比為90.08%，B處理站為85.61%，C處理為94.02%。該環(huán)節(jié)的能耗高低與處理規(guī)模、懸浮物含量、煤泥脫水率及脫水設(shè)備等因素緊密相關(guān)。

3.2 比能耗分析

為了進一步分析3個處理站的實際能耗水平，對各處理站的比能耗進行了統(tǒng)計，并按單位水量電耗和單位SS去除量電耗兩個角度分析[14]，分析結(jié)果如表3所列。

表3 礦井水預(yù)處理系統(tǒng)的比能耗分析情況Table 3 Specific energy consumption analysis of mine water pretreatment systems

根據(jù)表3中3個處理站的平均處理水量、單位水量電耗和單位SS電耗值，得到3座處理站的單位能耗對比，如圖1所示。

由圖1可知，礦井水處理站預(yù)處理系統(tǒng)能耗存在較為明顯的規(guī)模效應(yīng)。不同處理規(guī)模下的能耗平均值存在較大的差異。隨著規(guī)模的降低，單位水量電耗和單位SS去除量電耗值明顯升高。處理規(guī)模為3 500 m3/d的預(yù)處理系統(tǒng)平均能耗是規(guī)模為14 000 m3/d的預(yù)處理系統(tǒng)平均能耗的1.5倍左右。較小處理規(guī)模的預(yù)處理系統(tǒng)由于需要設(shè)置足夠高的安全系數(shù)、較大的耐沖擊負荷以及必須的各種設(shè)備和工藝配電系統(tǒng)，其高能耗成為必然。另外，由于小規(guī)模預(yù)處理系統(tǒng)總耗電量基數(shù)較低，相對于較大規(guī)模預(yù)處理系統(tǒng)而言，其節(jié)能降耗空間有限，節(jié)能貢獻較小。因此，進一步挖掘較大規(guī)模(>10 000 m3/d)預(yù)處理系統(tǒng)節(jié)能潛力，對于礦井水處理站能耗水平的降低具有重要意義。

圖1 預(yù)處理規(guī)模及其能耗水平對比Fig.1 Comparison of pretreatment scale and energy consumption

3座處理站設(shè)計規(guī)模和處理量利用率如表4所列。

表4 3個處理站處理量利用率Table 4 Utilization rate of the processing capacity of the three treatment stations

由表4和圖1可知，B處理站和C處理站設(shè)計規(guī)模相近，B處理站比能耗卻較C處理站大，可能原因之一是B處理站實際負荷率比C處理站低。通常情況下，隨著處理負荷的增加電耗呈下降趨勢，即礦井水預(yù)處理系統(tǒng)的電耗具有一定的規(guī)模效益[15]。

3.3 節(jié)能降耗途徑

礦井水預(yù)處理系統(tǒng)的能耗主要分布在礦井水提升與處理、煤泥輸送與處理、藥劑配制投加與反應(yīng)攪拌等工藝環(huán)節(jié)，包括設(shè)備的電能消耗和預(yù)處理涉及的藥劑消耗等。其中，主要的耗能設(shè)備是礦井水提升泵、刮泥機、攪拌機、加藥泵、污泥泵和脫水機等；藥劑消耗主要發(fā)生在應(yīng)急調(diào)節(jié)處理、澄清、煤泥調(diào)理與消毒等階段。降低主要耗能設(shè)備和工藝的藥劑能源，將是礦井水預(yù)處理過程中節(jié)能降耗的重要途徑之一。以礦井水預(yù)處理的典型工藝“預(yù)沉調(diào)節(jié)+澄清過濾”流程為例，分別就上述環(huán)節(jié)的能耗加以分析。

3.3.1 礦井水提升

礦井水提升泵是礦井水提升的主要耗能設(shè)備，對提升泵進行改進設(shè)計有利于在保證水質(zhì)的情況下減少提升泵的能耗。由表2可知，A、B和C處理站的礦井水提升與處理環(huán)節(jié)中提升泵的能耗分別占到了總能耗的78.9%、71.8%和73.3%。提升泵的能耗取決于泵的實際工作揚程，同時構(gòu)筑物水頭損失設(shè)計過大也會增加礦井水提升的能耗。因此，設(shè)計階段采取管道淹沒出流和控制跌水高度，減小出口處水頭損失等措施可有效降低礦井水提升高度，節(jié)約能耗。

選用高效率的提升泵也是節(jié)能降耗的重要途徑之一。運行優(yōu)化改造中可更換成超超或超高效率電機，也可用變頻調(diào)速技術(shù)控制提升泵，從而有效降低泵的能耗。實際運行數(shù)據(jù)表明，使用變頻調(diào)速設(shè)備可使水泵平均轉(zhuǎn)速降低20%以上，綜合節(jié)能效率可達20%～40%，同樣情況下，與用閥門調(diào)節(jié)流量相比，可節(jié)能40%～60%[16]。

此外，使用多級動態(tài)液位控制技術(shù)也能起到節(jié)能降耗的功效。提升泵運行過程中采用控制轉(zhuǎn)速和運行臺數(shù)的方法可讓定速泵在平均流量工況下運行。當(dāng)出現(xiàn)水流波動較大時，可以適當(dāng)?shù)卦鰷p運轉(zhuǎn)臺數(shù)，然后改變泵的運行速度。

3.3.2 藥劑配制投加

由表2可知，A、B、C處理站礦井水藥劑配制投加環(huán)節(jié)中藥劑相關(guān)能耗占到了總能耗的1.64%、4.21%和5.18%。盡管藥劑相關(guān)能耗占預(yù)處理系統(tǒng)總能耗不到10%，但是還是具有挖掘節(jié)能降耗的潛力。

礦井水預(yù)處理藥劑相關(guān)能耗主要發(fā)生在藥劑攪拌配制和投加中，同時與礦井水的進水懸浮物含量、處理水量和出水水質(zhì)標準相關(guān)。因此，為節(jié)省藥劑相關(guān)能耗可考慮通過清潔生產(chǎn)降低進水懸浮物含量或提高藥劑有效含量(濃度)從而減少藥劑配制投加量來實現(xiàn)。另外，隨著自動化和PLC程序的普遍應(yīng)用，藥劑的配制投加應(yīng)考慮變頻技術(shù)與計算機的聯(lián)合應(yīng)用。根據(jù)運行工況設(shè)計程序，提高效率降低能耗，如變頻加藥計量泵可根據(jù)進水水量、水質(zhì)變化自動適配調(diào)整加藥量，避免了額外藥劑投加和能源浪費。

3.3.3 煤泥輸送與處理

煤泥輸送泵和皮帶輸送機是煤泥輸送與處理工藝環(huán)節(jié)中的主要能耗設(shè)備。由表2可知，A、B和C處理站的煤泥輸送與處理能耗分別占到了總能耗的10.3%、16.7%和16.6%。煤泥排放與輸送能耗取決于煤泥泵的實際工作揚程，同時與煤泥含水率、黏性和產(chǎn)泥量密切相關(guān)。因此，設(shè)計中應(yīng)優(yōu)化煤泥排放與輸送的高程和距離，優(yōu)化煤泥處理構(gòu)筑物平面布置，實際運行中考慮提高煤泥的調(diào)理、濃縮和脫水效果，盡量在源頭處理中做到減量化。同時可考慮將煤泥水輸送至企業(yè)內(nèi)部洗煤廠，與洗煤產(chǎn)生的煤泥水一并處理。

3.3.4 節(jié)能降耗管理

(1)完善管理機制

運行管理中可通過分析處理工藝環(huán)節(jié)的能耗情況，明確不同處理單元的實際能耗需求，確定與預(yù)處理能耗密切相關(guān)的控制節(jié)點，分析挖掘控制節(jié)點的節(jié)能降耗潛力?；诓煌A(yù)處理工藝和不同處理規(guī)模條件建立能耗評價指標體系，從而能夠反映各工藝環(huán)節(jié)的能耗水平，便于進行工藝環(huán)節(jié)間的縱向比較和各處理站間的橫向比較。

建立節(jié)能降耗目標，進行能耗分析、節(jié)能潛力的識別和能耗管理水平的提升，實現(xiàn)對礦井水預(yù)處理系統(tǒng)的精確控制，完成節(jié)能降耗目標。

(2)提升節(jié)能降耗意識

在日常工作中具備節(jié)能降耗意識，做好各個環(huán)節(jié)的能耗控制。定期進行設(shè)備的維修與檢查。對于一些管道，要勤洗勤換，如果出現(xiàn)了異?，F(xiàn)象，要及時進行原因分析，并采取相應(yīng)的解決策略；加強用電負荷調(diào)度與用水的管理，避開用電高峰期，對負荷峰值加以必要調(diào)整，實現(xiàn)預(yù)處理系統(tǒng)的優(yōu)化與改進。

4 結(jié) 論

通過山東礦區(qū)3個礦井水處理站預(yù)處理系統(tǒng)的能耗分析，得出以下結(jié)論：

(1)礦井水預(yù)處理系統(tǒng)中工藝環(huán)節(jié)方面能耗水平由高到低依次為：礦井水提升與處理環(huán)節(jié)、煤泥輸送與處理環(huán)節(jié)和藥劑配制投加環(huán)節(jié)，能耗占比均值分別為79.98%、13.73%和5.80%。

(2)礦井水預(yù)處理系統(tǒng)能耗的主要影響因素包括實際處理量、設(shè)備功效、系統(tǒng)運行狀況、水質(zhì)情況和控制管理水平等。

(3)一般地，預(yù)處理系統(tǒng)實際處理規(guī)模越大，總體能耗水平越低，但還與礦井水預(yù)處理工藝，流程設(shè)計和平面布置等因素密切相關(guān)。

(4)預(yù)處理系統(tǒng)的節(jié)能降耗可通過優(yōu)化平面高程設(shè)計、優(yōu)選高效能機電設(shè)備、采用多級動態(tài)液位和變頻自控技術(shù)、加強水質(zhì)變化監(jiān)測和完善運行管理等途徑來實現(xiàn)。